3.3.2. Реакції ділення. Ланцюгова реакція. Використання ядерної енергії

Взаємодія ядер важких елементів (уран, торій) з нейтронами може привести до поділу цих ядер на приблизно рівні осколки. Ядерні реакції такого типу називають реакціями поділу.

Механізм ділення важкого ядра після його взаємодії з нейтроном можна пояснити, виходячи з краплинної моделі будови ядра. В такому ядрі діють ядерні й кулонівські сили. Припустимо, що ядро поглинуло один нейтрон. Таке ядро, перебуваючи в збудженому стані, здійснює відповідну пульсацію, довільно змінюючи свою форму. Серед великої кількості різноманітних пульсацій форма ядра може випадково стати еліпсоїдною. Завдяки дії поверхневих ядерних сил, а також кулонівських сил відштовхування є велика імовірність, що еліпсоїдне ядро стане гантелеподібним і після цього буде розірване на дві частини. Схематично це виглядить так:

В середній частині "гантелі" буде підвищена концентрація нейтронів. Ці нейтрони не перебувають під дією кулонівських сил, а тому, як правило, 2÷3 з них не встигають попасти у відповідні осколки ділення. Отже, реакція ділення починається з поглинання важким ядром одного теплового нейтрона і закінчується розривом його на два приблизно рівні осколки з виділенням ще двох - трьох теплових нейтронів.

З упинимось на реакціях ділення урану. Природний уран складається з двох основних ізотопів (0,7%) і (99,3%). Поглинувши тепловий нейтрон (W≈25 кеВ), ядро перетворюється в ядро з енергією збудження 6,4 МеВ, а поріг ділення дорівнює 5,8 МеВ. Тому робимо висновок, що ядро ділиться під дією нейтрона довільної енергії. В той же час для поріг ділення досягає енергії 5,8 МеВ, а енергія збудженого ядра після взаємодії з нейтроном складає приблизно 4,8 МеВ. Робимо висновок, що ядро зможе ділитись лише після взаємодії з нейтроном, енергія якого не нижче 1 МеВ.

Теплові нейтрони ділять крім ще ядра і , які в природі не зустрічаються. Ці ізотопи одержують штучно в ядерних реакторах на швидких нейтронах ( W ≥ 1 МеВ):

Торій і , які використовуються для одержання необхідних матеріалів, називають ядерною сировиною.

Ізотопи , , є ядерним горючим для ядерних котлів і матеріалами для виготовлення ядерних бомб.

Для практичного застосування поділу важких ядер масу матеріалів ділення підбирають такою, щоб нейтрони після першого акту ділення змогли зустрітись з іншими ядрами і спричинити їх ділення. Процес наростання числа актів поділу буде лавиноподібним, а реакція ділення в такому випадку буде називатись ланцюговою.

Ланцюгова реакція може бути керованою при розміщенні в активній зоні реактора сповільнювача нейтронів (як правило це графіт або важка вода) і поглинача нейтронів (кадмій). За допомогою цих матеріалів досягають коефіцієнта розмноження нейтронів К=1. У випадку, коли К>1, ланцюгова реакція може стати надкритичною і спричинити вибух. Якщо К<1, то ланцюгова реакція є підкритичною і може зменшитись до нуля. В будь-якому реакторі відповідна система автоматики підтримує коефіцієнт розмноження нейтронів в критичному стані К=1.

Об'єм активної зони стане набагато меншим, якщо використовувати збагачений . Чим більша концентрація , тим менше робоча зона і менша кількість матеріалу, що ділиться, перебуває в активній зоні.

Некерована ланцюгова реакція може здійснюватись в ядерній бомбі, розміри якої тим менші, чим вища концентрація матеріалу що, ділиться.